JP2015190874A - Method and device for testing fretting fatigue - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば蒸気タービン材料等に対して行うフレッティング疲労試験方法およびフレッティング疲労試験装置に関する。 The present invention relates to a fretting fatigue test method and a fretting fatigue test apparatus performed on, for example, a steam turbine material.
フレッティングとは、機械装置において面圧が作用している構造部材どうしの接触面間において、摩擦力を伴った数μm〜数十μm程度の微小な相対すべりが繰り返し生じる現象である。たとえば、蒸気タービンの翼根と翼溝の嵌合部では、蒸気タービンの運転時に面圧が作用した状態で微小な相対すべりが繰り返し生じ、フレッティングによる疲労(フレッティング疲労)が生じる。このフレッティング疲労により、構造部材にき裂が発生したり、構造部材が破壊されたりすることがある。フレッティング現象を伴う場合、構造部材の疲労強度は、フレッティング現象を伴わない場合と比べて大きく低下するため、構造部材の設計の際に大きな問題とされている。 Fretting is a phenomenon in which a minute relative slip of about several μm to several tens of μm with a frictional force is repeatedly generated between contact surfaces of structural members on which a surface pressure is applied in a mechanical device. For example, in a fitting portion between a blade root and a blade groove of a steam turbine, minute relative slip is repeatedly generated in a state where surface pressure is applied during operation of the steam turbine, and fatigue due to fretting (fretting fatigue) occurs. This fretting fatigue may cause a crack in the structural member or break the structural member. When the fretting phenomenon is accompanied, the fatigue strength of the structural member is greatly reduced as compared with the case without the fretting phenomenon.
構造部材のフレッティング疲労強度を測定する手法として種々のものが提案されている。たとえば、特許文献1には、試験片を固定するチャックと、試験片の下部を軸方向に加振する加振装置と、試験片の平行部を両側より押圧子で押圧しチャックからの距離を調整可能とした面圧負荷装置とからなるフレッティング疲労試験装置が提案されている。
Various methods for measuring the fretting fatigue strength of structural members have been proposed. For example, in
特許文献2には、一端にロードセルが取り付けられた試験片の他端をばね板の中央部に支持するとともに、ばね板の両端をベースにねじ止めし、さらに、ねじにロードセルが取り付けられた接触片を支持したフレッティング疲労試験装置が提案されている。
In
特許文献3には、負荷応力に対する相対すべり量を任意に変化させてフレッティング疲労強度を容易かつ低コストで評価することを目的とし、試験片を押圧するように配置されて、試験片と接触する境界において試験片を相対すべり可能に支持する少なくとも一つの接触部と、接触部の少なくとも一つに、相対すべり方向に負荷応力に応じた変位を付与する弾性体とを備えるフレッティング疲労試験装置が提案されている。また、非特許文献1には、超音波による引張圧縮加振によって迅速に評価できるフレッティング疲労試験装置が提案されている。
Patent Document 3 aims to evaluate fretting fatigue strength easily and at low cost by arbitrarily changing a relative slip amount with respect to a load stress, and is arranged to press the test piece so as to contact the test piece. Fretting fatigue testing apparatus comprising: at least one contact portion that supports a test piece so as to be relatively slidable at a boundary to be moved; and at least one of the contact portions is an elastic body that applies a displacement according to a load stress in a relative sliding direction. Has been proposed. Non-Patent
非特許文献2の図2(b)には、フレッティング疲労の破壊機構について記載されている。この図に示すように、振動する接触片と試験片の接触面には、両者の間に相対すべりのない固着域と、相対すべりが生じるすべり域とが存在し、固着域とすべり域との境界付近からき裂が発生する。
FIG. 2B of Non-Patent
ところが、特許文献1〜3および非特許文献1に記載の技術では、フレッティング現象の再現が困難であり、接触片と試験片の接触面の全面がすべり域となる。そして、接触片との擦過によって試験片に生じた摩耗による切欠効果により、フレッティング現象を伴わない通常の疲労よりも早期にき裂が発生する。したがって、上記した従来の技術では、フレッティング疲労特性を正確に把握できていないのが現状である。
However, with the techniques described in
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、接触片と試験片との接触面に固着域とすべり域とを安定して発生させることができ、フレッティング疲労特性を正確に測定することができるフレッティング試験方法およびフレッティング試験装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and can stably generate a fixed area and a sliding area on the contact surface between the contact piece and the test piece, and accurately measure fretting fatigue characteristics. An object of the present invention is to provide a fretting test method and a fretting test apparatus that can be used.
本発明は、試験片に接触部を押圧し、試験片を高周波加振するフレッティング疲労試験方法において、接触部を試験片に取り付けることを特徴とする。 The present invention is characterized in that, in a fretting fatigue test method in which a contact portion is pressed against a test piece and the test piece is subjected to high-frequency vibration, the contact portion is attached to the test piece.
また、本発明のフレッティング疲労試験装置は、試験片を支持する支持手段と、試験片に振動を与える振動発生手段と、試験片に押圧される接触部と、接触部を試験片に押圧した状態で取り付ける装着部とを備えたことを特徴とする。 Further, the fretting fatigue test apparatus of the present invention has a supporting means for supporting the test piece, a vibration generating means for applying vibration to the test piece, a contact portion pressed against the test piece, and pressing the contact portion against the test piece. And a mounting portion attached in a state.
従来においては、接触部を試験片とは切り離された機器に支持していたが、機器の構成要素が多いため、接触部が振動する試験片に対して相対すべりすることが避けられなかった。そのために、接触部の全域がすべり域となっていた。これに対して、本発明では、接触部を試験片に取り付けているため、試験片に対する接触部の密着状態が損なわれず、したがって、密着した部分で固着域が形成され、固着域の外側ですべり域が形成される。 Conventionally, the contact portion is supported by a device separated from the test piece. However, since there are many components of the device, it is inevitable that the contact portion slides relative to the vibrating test piece. For this reason, the entire area of the contact portion has become a slip area. On the other hand, in the present invention, since the contact portion is attached to the test piece, the contact state of the contact portion with the test piece is not impaired. A zone is formed.
本発明によれば、接触片と試験片との接触面に固着域とすべり域とを発生させることができ、フレッティング疲労特性を正確に測定することができる。 According to the present invention, it is possible to generate a fixed area and a sliding area on the contact surface between the contact piece and the test piece, and to accurately measure the fretting fatigue characteristics.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図1はフレッティング疲労試験装置の全体を示す側面図である。図1において符号1はねじり振動発生部である。ねじり振動発生部1の下端面には、角度増幅ホーン2が取り付けられ、角度増幅ホーン2の下端面には試験片3が取り付けられている。図3に示すように、試験片3は、両端に設けられた頭部3aと、頭部3aよりも小径な軸部3bとからなる線対称形状をなしている。軸部3bは、頭部3aから断面の輪郭線が弧状をなして減少する曲面部3cと、曲面部3cの裾から直径が一定となって伸びる円柱部3dとからなっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view showing the entire fretting fatigue test apparatus. In FIG. 1,
図1に示すように、フレッティング疲労試験装置には、角度増幅ホーン2の下端部と試験片3の下端部に臨む変位検出センサ4が配置されている。変位検出センサ4の検出結果は変位測定器5に入力され、試験片3の頭部3aどうしのねじれ角度が算出される。そのねじれ角度はコンピュータ6に入力され、コンピュータ6は、試験片3に生じるせん断応力を算出する。コンピュータ6は、発信器7を制御し、発信器7は、高周波のパルス信号をねじり振動発生部1に出力する。そして、ねじり信号発生部1は、入力されたパルス信号に対応したねじり振動を発生する。そのねじり振動の角度は、角度増幅ホーン2によって増幅される。
As shown in FIG. 1, the fretting fatigue test apparatus is provided with a displacement detection sensor 4 facing the lower end of the
図2は実施形態の押圧治具10を示す斜視図である。押圧治具10は、一対のパッド11を備えている。パッド11は、板状をなし、試験片3を挟むようにして配置されている。パッド11にはボルト12が取り付けられ、ボルト12にはナット13が取り付けられている。また、パッド11には、押圧子(接触部)14が取り付けられている。押圧子14は、超硬合金やハイス鋼のような硬い材料で構成され、図2(B)に示すような寸法で上下両縁部が試験片3側に突出している。なお、押圧子14は図2(C)に示すような平坦な板状のものでもよい。
FIG. 2 is a perspective view showing the
パッド11の一方には、歪みゲージ15が貼着されている。歪みゲージ15の検出信号はコンピュータ6に出力され、コンピュータ6は、押圧子14から試験片3に加えられる荷重を算出する。すなわち、ボルト12を締め付けることによって押圧子14が試験片3を押圧する荷重を所定の値に設定し、試験片3にねじり振動を与えたときに押圧子14と試験片3との接触部に固着域とすべり域が発生するようにする。
A
図3に試験片3の頭部3aのねじり変位量とせん断応力を示す。図3に示すように、試験片3に高周波振動を与えると、2つの頭部3aが変位し、中央部に変位が生じない節が生じる。この節を中心としたある範囲が押圧子14との相対すべりがゼロといって差し支えない固着域であり、固着域の外側にすべり域が生じる。そして、固着域とすべり域の境界付近にき裂が発生すると、ねじり変位量が増加し、変位検出センサ4がそれを検出する。
FIG. 3 shows the torsional displacement and shear stress of the
以下、具体的な実施例により本発明をさらに詳細に説明する。SCM420H材により図3に示す試験片3を作製した。試験片3の頭部3aの直径は9mmとした。軸部3bの長さは13mm、円柱部3dの長さは6mmで直径は4mmとした。SKH51材で図3(B)に示すブリッジ状の押圧子14を作製し、押圧治具10に取り付けた。そして、ボルト12を締め付けて800Nの力で試験片3を押圧し、その状態で約20000Hzのねじり振動を試験片3に与えて共振周波数が50Hz以上低下したとき、あるいは繰り返し数が109回に達したときに試験を中断した。また、図3(C)に示す板状の押圧子14を用いて同様のフレッティング疲労試験を行った。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. The test piece 3 shown in FIG. 3 was produced from the SCM420H material. The diameter of the
比較のために、図3に示す試験片3に対して下側の頭部3aがない試験片を用い、その試験片の片側から押圧子で押圧する通常の疲労試験を行った。以上の疲労試験の結果を図4に示す。図4に示すように、フレッティングの影響で著しく疲労強度が低下する。また、ブリッジ状の試験片でも板状の試験片でも同様の結果が得られた。
For comparison, a test piece without the
図5はブリッジ状の押圧子を用いたときの試験片の接触部を示す顕微鏡写真である。この写真に示すように、接触部には摩耗していない領域(固着域)と黒く摩耗している領域(すべり域)が存在し、両者の境界付近からき裂が生じている。図6は板状の押圧子を用いたときの試験片の接触部を示す顕微鏡写真であり、図5と同様の状態である。 FIG. 5 is a photomicrograph showing the contact portion of the test piece when a bridge-shaped pressing element is used. As shown in this photograph, there are a non-wearing region (fixed region) and a black-wearing region (slip region) in the contact portion, and a crack is generated near the boundary between the two. FIG. 6 is a photomicrograph showing the contact portion of the test piece when a plate-like pressing element is used, and is in the same state as FIG.
以上のように、本発明ではフレッティング疲労試験において試験片と押圧子との接触部に固着域とすべり域が生じ、フレッティング疲労特性が正確に測定できることが確認された。 As described above, in the fretting fatigue test according to the present invention, it was confirmed that a fixed region and a slip region are generated at the contact portion between the test piece and the presser, and the fretting fatigue characteristics can be accurately measured.
なお、上記実施形態および実施例では、高周波ねじり振動によるフレッティング疲労試験に本発明を適用したが、直線動の振動によるフレッティング疲労試験に適用することもできる。また、試験片は上記のようなダンベル状のものに限定されるものではなく、円柱状のものなど形状は任意である。 In the above-described embodiments and examples, the present invention is applied to the fretting fatigue test using high-frequency torsional vibration. However, the present invention can also be applied to the fretting fatigue test using linear motion vibration. Further, the test piece is not limited to the dumbbell shape as described above, and the shape such as a columnar shape is arbitrary.
本発明は、フレッティング疲労試験に利用可能である。 The present invention can be used for a fretting fatigue test.
1…ねじり振動発生部、2…角度増幅ホーン、3…試験片、4…変位検出センサ、
4…変位検出センサ、5…変位測定器、6…コンピュータ、7…発信器、
10…押圧治具、11…パッド、12…ボルト、13…ナット、
14…押圧子(接触部)、15…歪みゲージ。
DESCRIPTION OF
4 ... displacement detection sensor, 5 ... displacement measuring device, 6 ... computer, 7 ... transmitter,
10 ... Pressing jig, 11 ... Pad, 12 ... Bolt, 13 ... Nut,
14 ... Presser (contact part), 15 ... Strain gauge.
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